激光雷達系統的基本原理

基本原理

LIDAR是一種集激光，全球定位系統(GPS)和慣性導航系統(INS)三種技術與一身的系統，用于獲得數據并生成精確的DEM。這三種技術的結合，可以高度準確地定位激光束打在物體上的光斑。它又分為目前日臻成熟的用于獲得地面數字高程模型(DEM)的地形LIDAR系統和已經成熟應用的用于獲得水下DEM的水文LIDAR系統，這兩種系統的共同特點都是利用激光進行探測和測量，這也正是LIDAR一詞的英文原譯，即：LIght Detection And Ranging - LIDAR。

激光本身具有非常精確的測距能力，其測距精度可達幾個厘米，而LIDAR系統的精確度除了激光本身因素，還取決于激光、GPS及慣性測量單元(IMU)三者同步等內在因素。隨著商用GPS及IMU的發展，通過LIDAR從移動平臺上（如在飛機上）獲得高精度的數據已經成為可能并被廣泛應用。

LIDAR系統包括一個單束窄帶激光器和一個接收系統。激光器產生并發射一束光脈沖，打在物體上并反射回來，最終被接收器所接收。接收器準確地測量光脈沖從發射到被反射回的傳播時間。因為光脈沖以光速傳播，所以接收器總會在下一個脈沖發出之前收到收到前一個被反射回的脈沖。鑒于光速是已知的，傳播時間即可被轉換為對距離的測量。結合激光器的高度，激光掃描角度，從GPS得到的激光器的位置和從INS得到的激光發射方向，就可以準確地計算出每一個地面光斑的坐標X，Y，Z。激光束發射的頻率可以從每秒幾個脈沖到每秒幾萬個脈沖。舉例而言，一個頻率為每秒一萬次脈沖的系統，接收器將會在一分鐘內記錄六十萬個點。一般而言，LIDAR系統的地面光斑間距在2-4m不等。

激光雷達是一種工作在從紅外到紫外光譜段的雷達系統，其原理和構造與激光測距儀極為相似。科學家把利用激光脈沖進行探測的稱為脈沖激光雷達，把利用連續波激光束進行探測的稱為連續波激光雷達。激光雷達的作用是能精確測量目標位置（距離和角度）、運動狀態（速度、振動和姿態）和形狀，探測、識別、分辨和跟蹤目標。經過多年努力，科學家們已研制出火控激光雷達、偵測激光雷達、導彈制導激光雷達、靶場測量激光雷達、導航激光雷達等。